Квантовая алмазная визуализация открывает путь к электронике следующего поколения

Квантовые сенсоры на основе алмазных NV-центров для анализа мягких магнитных материалов

Повышение энергетической эффективности преобразования в силовой электронике критически важно для устойчивого развития. Широкополосные полупроводники, такие как GaN и SiC, предлагают преимущества за счет высокочастотных возможностей, однако потери энергии в пассивных компонентах на высоких частотах препятствуют эффективности и миниатюризации. Это обостряет потребность в передовых мягких магнитных материалах с низкими потерями.

Новый метод одновременной визуализации амплитуды и фазы

В исследовании, опубликованном в Communications Materials, команда под руководством профессора Мутсуко Хатано из Института науки Токио (Japan) разработала новый метод анализа потерь путем одновременной визуализации амплитуды и фазы переменных побочных магнитных полей — ключевого фактора для понимания гистерезисных потерь. Работа выполнена в сотрудничестве с Гарвардским университетом и корпорацией Hitachi.

Используя квантовый алмазный сенсор с азото-вакантными (NV) центрами и разработав два протокола — отслеживание кубитной частоты (Qurack) для кГц и квантовую гетеродинную визуализацию (Qdyne) для МГц — ученые достигли визуализации переменных магнитных полей в широком частотном диапазоне.

Экспериментальная валидация

Исследователи провели доказательство принципа: переменный ток приложен к катушке на 50 витков, частота перебиралась от 100 Гц до 200 кГц (Qurack) и от 237 кГц до 2,34 МГц (Qdyne). Как и ожидалось, амплитуда и фаза однородного магнитного поля Ампера были визуализированы с высоким пространственным разрешением (2–5 мкм), что подтвердило оба протокола.

Анализ тонкопленочных материалов CoFeB–SiO2

С помощью новой системы команда одновременно отобразила амплитуду и фазу побочных полей от тонких пленок CoFeB–SiO2, разработанных для высокочастотных индуктивностей. Результаты показали, что эти пленки демонстрируют близкое к нулю фазовое задержание до 2,3 МГц, что указывает на пренебрежимо малые потери вдоль твердой оси. При этом было выявлено, что потери энергии зависят от магнитной анизотропии: при намагничивании вдоль легкой оси фазовое задержание растет с частотой, сигнализируя о более высокой диссипации.

Перспективы и значение

Результаты демонстрируют, как квантовое чувство может анализировать мягкие магнитные материалы на высоких частотах — главную проблему создания высокоэффективных электронных систем. Способность разрешать движение доменных стенок, один из механизмов намагничивания, тесно связанный с потерями, является важным шагом к практическим оптимизациям в электронике.

Профессор Хатано отмечает, что обе техники могут быть улучшены инженерными методами: Qurack — за счет высокопроизводительных генераторов сигналов для расширения амплитудного диапазона, Qdyne — оптимизацией времени когерентности спина и скорости микроволнового управления для расширения частотного диапазона.

"Одновременная визуализация амплитуды и фазы переменных магнитных полей в широком диапазоне частот открывает множество приложений в силовой электронике, электромагнитах, энергонезависимой памяти и спинтронике, ускоряя квантовые технологии в секторах, связанных с целями устойчивого развития", — заключила Хатано.